Взаимное расположение прямых на плоскости: пересечение, параллельность, перпендикулярность и угол

Для прямых \(r=r_1+t a_1\) и \(r=r_2+s a_2\) всё определяется направляющими векторами и взаимным положением опорных точек. Если \(a_1,a_2\) неколлинеарны, прямые пересекаются в одной точке. Если они коллинеарны, остаются два варианта. Прямые совпадают, когда \(r_2-r_1\) также коллинеарен общему направлению; иначе они различны и параллельны.1

Для общих уравнений \(A_1x+B_1y=D_1\), \(A_2x+B_2y=D_2\) пересечение единственно при \(\Delta=A_1B_2-A_2B_1\ne0\). Перпендикулярность можно проверить по скалярному произведению направляющих или нормалей. Острый угол \(\varphi\) между прямыми удовлетворяет \(\cos\varphi=|a_1\cdot a_2|/(|a_1||a_2|)\).1, 2

Что важно запомнить
  • Неколлинеарные направляющие векторы ⇒ одна точка пересечения.
  • Коллинеарные направляющие ⇒ прямые параллельны или совпадают.
  • Совпадение требует принадлежности опорной точки одной прямой другой.
  • Для общих уравнений \(\Delta=A_1B_2-A_2B_1\ne0\) ⇒ единственное пересечение.
  • Перпендикулярность: \(a_1\cdot a_2=0\) или \(n_1\cdot n_2=0\).
  • Угол между неориентированными прямыми обычно берут в диапазоне \(0\le\varphi\le\pi/2\).

Классификация по направляющим векторам

Пусть

\[l_1:r=r_1+t a_1,\qquad l_2:r=r_2+s a_2.\]

Если \(a_1\) и \(a_2\) линейно независимы, уравнение \(r_1+t a_1=r_2+s a_2\) имеет единственное решение по параметрам, поэтому прямые пересекаются в одной точке.1

Если \(a_1,a_2\) коллинеарны, возможны два случая. Если \(r_2-r_1\) коллинеарен им, прямые совпадают. Если нет, прямые различны и параллельны.1

Критерии для общих уравнений

Для

\[A_1x+B_1y=D_1,\qquad A_2x+B_2y=D_2\]

определитель

\[\Delta=A_1B_2-A_2B_1\]

является определителем системы двух линейных уравнений. При \(\Delta\ne0\) система имеет единственное решение — точку пересечения. При \(\Delta=0\) нормали коллинеарны; если тройки коэффициентов \((A_1,B_1,D_1)\) и \((A_2,B_2,D_2)\) пропорциональны, прямые совпадают, иначе они параллельны и различны.1

Перпендикулярность и угол

Прямые перпендикулярны тогда и только тогда, когда их ненулевые направляющие векторы ортогональны:

\[a_1\cdot a_2=0.\]

То же условие можно записать для нормалей: \(n_1\cdot n_2=0\). Острый или прямой угол между неориентированными прямыми определяется формулой

\[\cos\varphi=\frac{|a_1\cdot a_2|}{|a_1||a_2|},\qquad 0\le\varphi\le\frac{\pi}{2}.\]

Модуль устраняет зависимость от того, в какую сторону выбраны направляющие векторы.1, 2

Другие вопросы

Источники

  1. 1 Овчинников А. В. Алгебра и геометрия для студентов-физиков. Лекционный курс. Семестр 1 М.: Физический факультет МГУ, 2016 г. С. 171–173, 202–205.
  2. 2 Корпусов М. О. Консультация 6. Прямая на плоскости Кафедра математики физического факультета МГУ. 21 с.